Свойства конструкционных материалов, виды и применение

О чем речь? Свойства конструкционных материалов обычно подразделяют на три группы: механические, физические, эксплуатационные. К ним относят прочность, пластичность, твердость, износостойкость, устойчивость к коррозии, теплопроводность, электропроводность.

На что обратить внимание? Конструкционные материалы играют важную роль в строительстве, машиностроении, авиации, судостроении. Выбор подходящего материала существенно влияет на качество, надежность и долговечность конструкции.

Определение конструкционных материалов

Конструкционные материалы – это те материалы, из которых делают конструкции (детали приборов, элементы сооружений, комплектующие транспортных средств), испытывающие механические нагрузки.

В отличие от иных материалов (оптических, смазочных, изоляционных, декоративных, абразивных), к конструкционным предъявляют особые требования в отношении прочности, которая должна обеспечить надежность и долгий срок эксплуатации.

Фото: EyeEm / Freepik

Главные критерии качества конструкционных материалов – параметры сопротивления внешним нагрузкам (статическим, циклическим, ударным):

• прочность;
• удельная прочность (особенно актуально для материалов, использующихся в авиастроении и ракетостроении);
• жаропрочность;
• выносливость;
• вязкость разрушения (сопротивление образованию трещин).

Иногда важными характеристиками могут быть износостойкость, свариваемость, термическая стойкость, прокаливаемость, коррозиестойкость.

Конструкционные материалы пригодны для эксплуатации в диапазоне температур от –269 °C до +2500 °C. Для сохранения прочности в зависимости от ситуации они должны обладать либо хладостойкостью, либо жаропрочностью, кроме того, быть технологичными, то есть обрабатываться резанием, давлением, иметь способность к литью. От этого зависит качество изготовления деталей.

Виды конструкционных материалов

По природе

металлические;

неметаллические;

композиционные.

[sgInset53]

По технологическому исполнению

деформированные (прокат, кованые, штампованные, прессованные профили);

литые;

спекаемые;

формуемые;

склеиваемые;

свариваемые(плавкой, взрывом, диффузионным сращиванием).

По условиям эксплуатации

работающие при низких температурах;

жаропрочные;

устойчивые к коррозии;

жаростойкие;

износостойкие;

топливостойкие;

маслостойкие.

Читайте также

«Легированная сталь: технология производства, классификация, маркировка»

Подробнее

По критериям прочности

малой прочности;

средней прочности (с большим запасом пластичности);

высокопрочные (с умеренным запасом пластичности).

Классификация свойств конструкционных материалов

Конструкционные материалы имеют три группы свойств:

Механические

К данной группе относятся показатели поведения материалов под разной нагрузкой:

• прочность (способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации);
• пластичность (способность сохранять остаточную или полную деформацию после снятия нагрузки);

Фото: EyeEm / Freepik

• твердость (способность сопротивляться деформации или разрушению при местном силовом воздействии, например надавливании или царапании);
• жесткость (способность противостоять деформации).

Физические

Какие свойства конструкционных материалов сюда входят? Те параметры, которые поддаются измерению: плотность, коэффициент объемного расширения, электропроводность, температура перехода в иное структурное состояние, теплоемкость либо теплопроводность.

Эксплуатационные

Данная группа показателей нужна, чтобы оценить величину износостойкости и долговечности выпускаемого продукта. Износостойкость – это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в условиях контактного трения (царапание, адгезия, истирание, дробление либо температурный износ).

Основные свойства конструкционных материалов

Прочность

Это сопротивление материала внешним нагрузкам.

Читайте также

«Коррозионностойкая сталь, ее качества и марки»

Подробнее

Способность сопротивляться разрушению – одно из главных свойств конструкционных материалов. Прочность определяется комплексом факторов: структура вещества, химический состав, технология производства и условия эксплуатации.

Прочность может быть:

• статическая – насколько материал способен выдерживать постоянные нагрузки;
• усталостная – способность материала выдерживать повторные нагрузки.
• ударная – насколько материал может поглощать энергию удара.

Пластичность

Свойство материала позволяет деформироваться под воздействием внешних нагрузок без разрушения.

Пластичность может быть:

• абсолютная – любая нагрузка способна деформировать материал, не вызывая разрушения формы;
• относительная – определенная нагрузка вызывает деформацию, не разрушая материал;
• удельная – способность материала деформироваться без разрушения на единицу объема.

Твердость

Способность материала противодействовать проникновению в него других тел. Данный показатель определяет износостойкость и долговечность элементов, изготовленных из конструкционных материалов.

Фото: Howei Wang / Unsplash

Твердость можно измерить, применив методы Бринелля, Роквелла и Виккерса. Каждый метод отличается своей спецификой и используется в отношении разных материалов.

Износостойкость

Свойство материала – не поддаваться износу под воздействием внешней нагрузки. Данный параметр определяет долговечность и надежность конструкционных материалов.

Износ может быть:

• абразивным – вызывается трением материала о другие тела;
• адгезионным – возникает в процессе отрыва частиц материала от поверхности;

Читайте также

«Полосовая сталь: какая бывает, как производится и где используется»

Подробнее

• усталостным – появляется в ходе постепенного изнашивания материала под воздействием циклических нагрузок.

Дополнительные свойства конструкционных материалов

Коррозионная стойкость

Разрушение структуры материала из-за химических либо электрохимических реакций с окружающей средой называют коррозией. Это один из показателей, определяющих долговечность конструкций.

Коррозия может быть:

• химическая (в результате химических реакций с окружающей средой);
• электрохимическая (в результате электрохимических реакций с окружающей средой).

Фото: EyeEm / Freepik

С коррозией можно бороться, применяя нанесение защитных покрытий на изделие, изготавливая специальные сплавы либо используя ингибиторы.

Теплопроводность

Это свойство материала передавать тепловую энергию от одной точки к другой. Данный фактор влияет на тепловые процессы в конструкциях.

Теплопроводность бывает:

• кондуктивная – передача тепла через твердые тела;
• конвективная – передача тепла через жидкость или газ;
• лучистая – процесс передачи тепловой энергии через излучение.

Электропроводность

Показатель, говорящий о возможности материала проводить электрический ток. Характеристика, влияющая на электрические свойства конструкционных материалов.

Читайте также

«Быстрорежущая сталь: виды, применение, маркировка»

Подробнее

Электропроводность может быть:

• электронная – перенос электронов через материал;
• ионная – перенос ионов через материал;
• смешанная – сочетание электронной и ионной электропроводности.

Описание свойств конструкционных материалов по видам металла

Сталь

Самый широко используемый сплав железа с углеродом, с добавлением примесей либо легирующих элементов. В результате получаются углеродистые или легированные стали.

Фото: fanjianhua / Freepik

Среди последних можно отметить специальные:

• нержавеющие (обладают высокой стойкостью к коррозии);
• жаростойкие (способны выдержать температуру до 1100 °С);
• износостойкие (имеют высокие показатели твердости и долговечности).

Прочность разных типов стали варьируется от 200 до 3000 МПа. Стали обладают ковкостью, свариваемостью, способностью к резке и иной механической обработке, а также к литью. Легированная сталь может сохранять свои свойства при предельно низкой температуре до –150 °С.

Это свойство данного конструкционного материала позволяет использовать его там, где есть колебания внешних нагрузок.

Чугун

Еще один популярный конструкционный материал, представляющий собой сплав железа с углеродом. Показатель прочности лежит в диапазоне от 110 до 1350 МПа. Чугун нельзя ковать, зато он имеет хорошие литейные свойства. Металл годится для использования при высоких температурах в окислительной среде.

Алюминиевые сплавы

Данная группа материалов отличается высокой удельной прочностью (иначе говоря, отношением прочности к плотности), что требуется для производства изделий небольшого веса. Предел прочности у литейных деталей – 550 МПа, у деформируемых – 750 МПа.

Сплавы алюминия обладают высокой электропроводностью и сопротивлением коррозии. Дуралюмины хорошо куются, прессуются и пригодны для сварки, а силумины имеют точную отливку. Продукция из этих сплавов сохраняет эксплуатационные свойства при температуре до –200 °С.

Читайте также

«Виды и марки стали листового проката»

Подробнее

Если создать сплав из чистого магния с алюминием, цинком и прочими металлами, то эта технология позволит получить конструкционный материал, имеющий прочность более 400 МПа при невысокой плотности. Данный материал станет самым легким конструкционным металлом.

Титан

Материал, имеющий высокие показатели прочности (до 1600 МПа) и коррозионной стойкости. Если добавить легирующие элементы (алюминий, хром), то титановый сплав получает дополнительные полезные свойства: повышенную удельную прочность, пластичность, жаропрочность (до +500 °С) и устойчивость к низким температурам (до –250 °С).

Сплавы из меди

Медные сплавы (латунь, бронза) имеют следующие полезные свойства:

• высокая теплопроводность;
• хорошая электропроводность;

Фото: D R / Unsplash

• коррозионная стойкость;
• холодостойкость (до –250 °С).

Литейная латунь и бронза характеризуются хорошей жидкотекучестью, что позволяет применять их для производства изделий методом литья. Деформируемые сплавы меди могут подвергаться ковке.

Применение свойств конструкционных материалов

Сталь находит применение в разных сферах: обыкновенную используют для деталей, имеющих малую нагрузку в механизмах и строительных конструкциях, качественную и высококачественную сталь – в машиностроении, медицине, самолето- и ракетостроении.

Чугун незаменим при производстве деталей сложной формы большого размера: коленвалов, зубчатых колес, станин станков и прессов, корпусов редукторов и цилиндров ДВС.

Титан кроме самолето-, судо- и ракетостроения является необходимым материалом для химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Сплавы меди (латунь, бронза) показывают отличные результаты при эксплуатировании в агрессивных средах (газовых, водных, химических), а также применяются для выпуска изделий сложных форм. Чистая медь находит применение в электротехнической промышленности.

Влияние условий эксплуатации на свойства и выбор материалов

Выбор видов конструкционных материалов и, соответственно, их свойств определяется конкретными условиями эксплуатации. Это могут быть колебания температуры, влажность и агрессивные среды. К примеру, чем выше температура, тем ниже показатели прочности и пластичности, а также ускоряются процессы коррозии. Влажность также усиливает коррозионные процессы. Агрессивная среда способна разрушить конструкционные материалы.

Фото: artdd / Freepik

Все вышеназванные моменты должны учитываться при выборе материалов. Так, если конструкции будут эксплуатироваться в условиях повышенной влажности, разумнее использовать материалы, устойчивые к коррозии. Если предполагается наличие высоких температур, тогда стоит выбрать жаростойкие материалы, с высоким уровнем прочности и пластичности.

Часто задаваемые вопросы о свойствах конструкционных материалов

Кому важно знать свойства конструкционных материалов?

Такие знания необходимы инженерам, архитекторам и специалистам, занятым в сфере проектирования и строительства.

Что такое конструкционная прочность материалов?

Это комплексная характеристика материалов включающая в себя прочность, надежность и долговечность.

Что понимают под химическими свойствами конструкционных материалов?

Способность материалов не вступать в реакции с другими веществами (кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей).

Читайте также

«Холоднокатаная сталь: виды, маркировка, сферы применения»

Подробнее

В завершение следует отметить, что современная экономика выдвигает новые требования к свойствам конструкционных материалов, а это, в свою очередь, стимулирует научно-технический прогресс в данном направлении.

Изображение в шапке статьи: Alain Pham / Unsplash